JP6502324B2 - ハイブリッド型作業機 - Google Patents

Description

本発明は、駆動機構の一部を電動化したホイルローダ等のハイブリッド型作業機に関する。

従来より、油圧ポンプを駆動するエンジンにエンジンアシスト用電動発電機を付設すると共に、駆動機構の一部を、油圧シリンダや油圧モータ等の油圧駆動機構に代えて電動化したハイブリッド型作業機が知られている。このようなハイブリッド型作業機は、電動発電機からの発電電力や電動機の回生電力を蓄える蓄電器と、それらの電力を変換する電力変換装置及び昇降圧コンバータ等を備える。

電動発電機は、電力変換装置を介して直流母線に接続され、直流母線は昇降圧コンバータを介して蓄電器に接続される。電動機は、別の電力変換装置を介して直流母線に接続される。そして電動発電機や電動機が力行運転を行う際には、昇降圧コンバータにより蓄電器の供給する電圧を電力変換装置の直流入力電圧へと昇圧し、電力変換装置により直流を交流に変換して電動発電機を駆動する。また、電動機が回生運転を行う際には、回生電力を電力変換装置により直流電圧に変換し昇降圧コンバータにより降圧して蓄電器に蓄電する。

特許文献１に記載のハイブリッド型作業機においては、エンジンアシスト用の電動発電機と旋回用電動機とについて、共通の蓄電器からそれぞれに個別に昇降圧コンバータと直流母線とを設け、各直流母線に異なる電圧が得られるようにしている。即ち、一定の回転数でしか使用しないエンジンアシスト用の電動発電機には直流母線（電力変換装置の入力直流電圧）をほぼ一定の電圧値に設定する。一方、レバー操作量に応じて出力が頻繁に変動する旋回駆動用電動機には、直流母線の電圧を、旋回用電動機の回転数に応じて電圧値を可変させることにより、効率的な駆動を可能にしている。

日本国特許第４９４９２８８号公報

しかしながら、電動機に必要となる直流母線電圧は、電動機の回転速度のみならず負荷の大きさにも強く依存する。したがって、特許文献１に記載のように、電動機の回転速度に応じてその直流母線電圧を可変制御する方式では、例えばホイルローダの走行モータのように、電動機の回転数に関係なく短時間に大きな負荷がかかるものに用いた場合、電動機は走行に必要な出力が出せないおそれがある。

このため、このような短時間に大負荷がかかる電動機駆動系に対しては、直流母線電圧を常に一定値に制御するのが一般的であった。このときの直流母線電圧の制御指令値を、電動機の動作に必要な最大直流電圧値と常に一致させれば、電動機は回転数に応じた最大トルクを出力することができる。

しかし、直流母線電圧を常に高く保つと電力変換装置にスイッチング損失による発熱の悪影響を与える。特に、電力変換装置のスイッチング損失による発熱は、直流母線電圧に比例して大きくなることを考慮すると、短時間しか必要としない大負荷に合わせて、直流母線電圧を常に高く保つ制御は不要な発熱をもたらす。このため、直流母線電圧を常に一定値に制御する場合においては、直流母線電圧を、電動機が全ての回転数に亘って最大トルクを出すために必要な電圧の最大値よりも低い値で制御するのが一般的である。このため、電動機の出力が、直流母線電圧の低さのために制限されてしまうという不具合があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、電動機に接続される電力変換装置の発熱を抑えつつ、電動機の短時間における最大出力を向上させることが可能となり、作業能率を向上させることができるハイブリッド型作業機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によるハイブリッド型作業機は、油圧アクチュエータの油圧源となる油圧ポンプを駆動するエンジンと、エンジンに付設されるエンジンアシスト用の電動発電機と、作業機の一部の駆動系に用いる電動機と、電動発電機の発電電力を蓄積する蓄電器と、電動機と直流母線との間に設けられた電力変換装置と、直流母線と蓄電器との間に設けられ、直流母線の電圧を昇降圧して直流母線と蓄電器との間で電力の授受を行なう昇降圧コンバータと、を備えるハイブリッド型作業機において、電動機に要求されるトルクが、電力変換装置に接続される直流母線の電圧で出力可能なトルクを上回る場合に、直流母線の電圧を一時的に上昇させる制御装置を備え、制御装置は、電動機の要求トルクを演算する第１の演算部と、電動機の回転数、および電動機に電力変換装置を介して接続された直流母線の電圧から電動機の出力可能トルクを演算する第２の演算部と、第１の演算部により演算される要求トルクと第２の演算部により演算される出力可能トルクとを比較するトルク比較部と、第１の演算部により演算される要求トルクが第２の演算部により演算される出力可能トルク以上である際に、電動機の回転数が閾値以上であることを条件として、直流母線の電圧を一時的に上昇させる指令を与える電圧上昇指令部と、を備える。

本発明によれば、電動機の出力トルクを一時的に増大させ、電動機の回転数を落とすことなく作業機を作動させることができ、作業能率を向上させることができる。

本発明を適用するハイブリッド型作業機の一例であるホイルローダを、土砂の山にバケットを差し込む前の状態で示す側面図である。 図１のホイルローダを、土砂の山にバケットを差し込んだ状態で示す側面図である。 図１のホイルローダを、土砂の山にバケットを差し込んだ後にバケットを持ち上げた状態で示す側面図である。 本発明のホイルローダの油圧電気回路の一実施の形態を示す回路図である。 本実施の形態の機能ブロック図である。 本実施の形態の電動機の回転数と出力可能トルクとの関係を従来のものと対比して示すグラフである。 本実施の形態の動作を説明するフローチャートである。 本実施の形態の制御を行なわない場合の動作を示すタイムチャートである。 本実施の形態の制御態様の一例を示すタイムチャートである。 本発明が適用される作業機における油圧電気回路の別の実施の形態を示す回路図である。

図１は本発明を適用するハイブリッド型作業機の一例であるホイルローダを、土砂の山にバケットを差し込む前の状態で示す側面図である。図２、図３はバケットを土砂の山に差し込んだ状態と、バケットを持ち上げた状態を示す。図１ないし図３において、1はホイルローダの車体、２，３はそれぞれ車体１の前部、後部に取付けたホイルローダの前輪、後輪を示す。車体１上に後述の動力源装置４やキャブ５を搭載する。

車体１の前部にブーム(リフトアームとも呼ぶ）６を油圧シリンダでなるブームシリンダ７により上下動可能に取付ける。ブーム６にはバケット８を油圧シリンダでなるバケットシリンダ９により上下回動可能に取付ける。このホイルローダは、作業機の一部の駆動系に用いる電動機としての電動機（走行モータ）５０（図４参照）を備えている。図1に示すように、ホイルローダは、バケット８を下げた姿勢にして電動機５０の駆動により後輪３を回転させることによって矢印１１で示すように前進させる。これにより図２に示すように土砂の山１２にバケット８を差し込みつつ、バケットシリンダ９の伸長によりバケット８を矢印１３に示すように上方に回動させると共に、ブームシリンダ７を伸長させてブーム６を持ち上げる。その後、図３に示すように、矢印１４で示すようにホイルローダを後進させ、その後、トラックの荷台や集積場所に走行して放土する。

図４は本発明のハイブリッド型作業機の油圧電気回路の一実施の形態を示す回路図である。本実施の形態によるハイブリッド型作業機は、油圧駆動部と走行駆動部とを有している。図４において、太線は油圧回路を示し、細線は電力線を示し、破線は電気信号線を示す。１５はエンジン、１６はエンジン１５により駆動される油圧ポンプ、２０はエンジン１５に付設されたエンジンアシスト用の電動発電機、１８はエンジン制御装置ＥＣＵ（Engine Controller Unit）、１９はエンジンのスタータである。これらは図１〜図３に示した動力源装置４を構成するものである。１７はブームシリンダ７やバケットシリンダ９への作動油の方向、流量を制御するコントロール弁である。

電動発電機２０は、エンジン１５をアシストする場合には電動機としてエンジン１５を駆動し、定常走行時や減速時には、エンジン１５の動力を受けて発電を行なう発電機として作動するものである。電動発電機２０は、エンジン１５のクランクシャフトに直結されるか、またはベルトやギヤを介してエンジン１５のクランクシャフトに結合されている。この電動発電機２０は永久磁石型の同期発電機である。２１は電動発電機２０の回転数を検出する回転センサである。

３０は直流母線８０，８１と電動発電機２０との間に設けた3相インバータ（第1の電力変換装置）、４２は蓄電器、４０は直流母線８０，８１と蓄電器４２との間に設けた昇降圧コンバータ、５０は走行モータとして備えた電動機、６０は直流母線８０，８１と電動機５０との間に設けた3相インバータ（第２の電力変換装置）である。７０は総合制御装置ＨＣＵ（Hybrid Control Unit）であり、エンジン１５、インバータ３０、昇降圧コンバータ４０およびインバータ６０を、それぞれエンジン制御装置ＥＣＵ（Engine Control Unit）１８、パワーコントローラＰＣ（Power Controller）３３，４３，６３を介して制御するものである。９０はＨＣＵ７０とＥＣＵ１８、ＰＣ３３，４３，６３を接続するＣＡＮ（Controller Area Network）である。

インバータ３０は、電動発電機２０が発電機として作動する場合は発電された交流電力を直流に変換し、直流母線８０，８１および昇降圧コンバータ４０を介して蓄電器４２に充電する。電動発電機２０を電動機として作動させる場合は、蓄電器４２に蓄えた直流電力をインバータ３０で交流に変換して電動発電機２０を駆動する。インバータ３０は6個の半導体スイッチ３４により構成している。この例においては、このインバータ３０の半導体スイッチ３４としてＩＧＢＴを用いているが、他のパワー半導体素子を用いてもよい。３１は電動発電機２０の電流を検出するモータ電流センサ、３２は直流母線８０，８１の電圧を検出するバス電圧センサ、３６は直流母線８０，８１の直流電圧を平滑化するコンデンサである。

インバータ３０は、内蔵されたＰＣ３３がＨＣＵ７０からのトルク指令をＣＡＮ９０を介して受け取り、電動発電機２０が電動機として作動する場合には、モータ電流センサ３１と、電動発電機２０の回転センサ２１と、バス電圧センサ３２の情報を元に、半導体スイッチ３４のゲートをオンオフしてＰＷＭ制御を行ない、所望のモータトルクが発生するように制御する。

蓄電器（蓄電素子とも呼ぶ）４２は、電動発電機２０の発電電力や、電動機５０の回生電力を昇降圧コンバータ４０を介して蓄電する。また、昇降圧コンバータ４０は、必要な場合は、蓄電器４２からインバータ３０を介して電動発電機２０に電力を供給し、また、蓄電器４２からインバータ６０を介して電動機５０に電力を供給する。この蓄電器４２は、電動発電機２０による発電電力のみを蓄電するようにしてもよい。また、この蓄電器４２として、本実施の形態ではウルトラキャパシタと呼ばれる（電気二重層コンデンサとも呼ばれる）大容量のコンデンサを用いる。ただし、蓄電器４２として、コンデンサの代わりにリチウムイオン電池のような二次電池を用いてもよい。

昇降圧コンバータ４０は、ＨＣＵ７０からＰＣ４３が電圧指令やリレー４９のオンオフ指令をＣＡＮ９０を介して受け取り、電流センサ４８と電圧センサ４７の情報を元に、半導体スイッチ４４，４５のゲートをオンオフしてＰＷＭ制御を行ない、インダクタンス４６を利用して蓄電器４２の電圧を昇降圧する。

電動機５０は、蓄電器４２および／または電動発電機２０からの電力で駆動し、後輪３を駆動させる。電動機５０には回転数を検出する回転センサ５１を備える。電動機５０は走行用プロペラシャフト５２を介して後輪３に連結されている。電動機５０には、永久磁石型の同期電動機か、あるいは誘導電動機が用いられる。電動機５０は、高速回転かつ大トルクで出力する場合には、直流母線８０，８１の電圧としてより高い電圧を必要とする。そこで、本実施の形態においては、電動機５０に要求されるトルクが、直流母線８０，８１の電圧で出力可能なトルクを上回る場合に、直流母線８０，８１の電圧を一時的に上昇させる。本実施の形態における直流母線８０，８１の電圧上昇制御については、後述する。
インバータ６０は電動機５０を駆動すると共に、電動機５０の回生電力を直流に変換する。６６は入力電圧を平滑化するコンデンサである。このインバータ６０は６個の半導体スイッチ６４により構成する。この半導体スイッチ６４として、この例ではＩＧＢＴを用いているが、他のパワー半導体素子を用いてもよい。

インバータ６０は、内蔵するＰＣ６３がＨＣＵ７０からのトルク指令をＣＡＮ９０を介して受け取り、電動機５０の電流センサ６１と、電動機５０の回転センサ５１と、直流母線８０，８１の電圧センサ６２からの情報を元に、半導体スイッチ６４のゲートをオンオフしてＰＷＭ制御を行ない、所望のモータトルクが発生するように制御する。

ＨＣＵ７０の主たる入力はスタート信号ＳＴとアクセルペダルの踏込み量を示すアクセルペダル踏込み信号ＡＳである。ＨＣＵ７０はＥＣＵ１８にＣＡＮ９０を介して回転指令を送ってエンジン１５を制御する。ＥＣＵ１８は、ＨＣＵ７０からエンジン停止指令を受けるとエンジン１５を停止させる。エンジン１５はスタータ１９で始動する。

図５は図４の回路の機能を説明するブロック図である。図５において、図４と同一符号は同じ装置または部品である。昇降圧コンバータ４０のＰＣ４３に検出信号を入力するセンサのうち、ＩＶ温度センサ３７は半導体スイッチ３４の保護のためにインバータ３０に備えられている温度センサである。インバータ６０のＰＣ６３に検出信号を入力するセンサのうち、ＩＶ温度センサ６７は半導体スイッチ６４の保護のためにインバータ６０に備えられている温度センサである。また、モータ温度センサ５３は電動機５０にその保護のために備えられている温度センサである。

ＨＣＵ７０において、要求トルク演算部（第1の演算部）７３は、アクセルペダルの踏込み量に対応したアクセルペダル踏込み信号ＡＳから要求トルクτbを演算するものである。なお、演算の一例として、予め設定した電動機５０の回転数Ｎと要求トルクτｂとの特性テーブル(図示せず)を用いる方法が挙げられる。電動機５０の回転数Ｎと要求トルクτｂとの特性は略反比例関係にあり、同一の回転数ならばアクセルペダル踏込み信号ＡＳが増大するに伴い、要求トルクτｂが増大する。要求トルク演算部７３は、入力されたアクセルペダル踏込み信号ＡＳと、回転センサ５１で検出される電動機５０の回転数Ｎとから特性テーブルより対応する要求トルクτｂを求めることができる。

出力可能トルク演算部（第2の演算部）７４は、インバータ６０に備えられている電圧センサ６２により検出される直流母線８０，８１の電圧Ｖと、電動機５０の回転数Ｎとから、電動機５０で出力可能な出力可能トルクτａを演算する部分である。なお、図４の例ではインバータ３０，６０にそれぞれバス電圧センサ３２，６２を設けているが、これらはインバータ３０，６０に元々備わっており、いずれも直流母線８０，８１の同じ直流母線電圧Vを検出する。

図６は電動機５０の出力可能トルクτａと回転数Ｎとの関係を示す図であり、τmaxは元々電動機５０に設定された最大トルクである。曲線１０１は直流母線８０，８１の電圧Vを一定範囲に抑えた従来の制御方式を採用した場合の出力可能トルクτａの特性を示す。曲線１０２は後述のように本実施の形態における制御により、直流母線８０，８１の電圧Vを上昇させた場合の出力可能トルクτａの特性を示す。

トルク比較部７５は、要求トルクτｂと出力可能トルクτａとの大小を比較する部分である。直流母線電圧上昇判断部７６は、トルク比較部７５の比較結果にもとづき、インバータ６０の温度センサ６７や電動機５０の温度センサ５３による検出温度Ｔ１，Ｔ２が上限温度Ｔ１０，Ｔ２０に達しているか否かを参照しながら、直流母線８０，８１の電圧Ｖを上昇させるか否かを判断する部分である。タイマ部７７は、直流母線電圧Ｖが上昇した状態である時間に制限を加えるため、直流母線電圧が上昇している時間を計測する部分である。

電圧上昇指令部７８は、バス電圧センサ３２または６２により検出される直流母線電圧Ｖを参照しつつ、直流母線電圧上昇判断部７６の判断結果にもとづき、必要な場合には、電圧を上昇させる指令Ｖｓを昇降圧コンバータ４０のＰＣ４３に送るものである。このような各部７３〜７８は、コンピュータプログラムにより実現することができる。

このような構成のホイルローダにより実際の作業を行なう場合の動作を説明する。理解を容易にするため、直流母線電圧Ｖを上昇させない従来の制御を行なった場合の動作を、図８のタイムチャートにより説明する。図８のタイムチャートの各点ａ〜ｆは図６のａ〜ｆに対応している。

図１に示すように、オペレータがアクセルペダルを踏込み、ホイルローダを土砂の山１２に向けて矢印１１に示すように前進させ、図２に示すように、図８のａの時点でバケット８が山１２に差し込まれると、走行抵抗は、一定の車体速度においては山１２にバケット８が食い込んでいくに従って大きくなり、そのため、電動機５０に必要とされるトルクも大きくなる。

オペレータはこの走行抵抗の増大に対して一定の車体速度を保ち、掘り進むため、図８（Ｃ）に示すように、ａの時点からアクセルペダル踏込み量（アクセルペダル踏込み信号ＡＳ）を増大させる。このようなアクセルペダル踏込み量の増大の際に、０〜ｂの時点までの間、すなわち図８（Ｂ）に示すように、出力可能トルクτａが要求トルクτｂより大きい間は、車体速度（電動機５０の回転数）はＮ１の一定速度を保つことができる（図８（Ａ）参照）。このとき、ホイルローダは、図６のトルク−回転数の関係図において、ａ，ｂの点でほぼ一定の車体速度（回転数Ｎ１）により走行する。

しかし、出力可能トルクτａが要求トルクτｂ以下になると、図８（Ａ）の線１０３に示すように、車体速度は低下し、その分、電動機５０のトルクは図８（Ｂ）に示すように上昇する。すなわち、このトルク上昇段階では車体速度の低下と共に出力可能トルクτａは要求トルクτｂと一致したまま上昇する。

その後、図８のｃの時点で十分に車体速度が下がった状態になると、出力可能トルクτａは図６に示す最大トルクτmaxと一致する。したがって、図８（Ａ）のｃの時点から、出力可能トルクτａおよび要求トルクτｂは最大トルクτmax以上に増大しない状態で、電動機５０の回転数はＮ２から線１０４の線に沿ってさらに低下する。そして、車体速度が低下することにより減少した走行抵抗と、出力可能トルクτａとが一致した時点ｄで車体速度の低下が止まり、その後はほぼ一定の回転数Ｎ３の車体速度で掘削することになる。

オペレータが土砂の山１２を掘り抜いたと判断し、図８のｅの時点でアクセルペダルを緩めると、要求トルクτｂは下がる。このｅの時点での出力トルクは図６のｅの点に相当する。その後のｆの時点の走行においても、車体速度が十分に下がっており、出力可能トルクτａは変化しないため、必要なトルクを出力することができる。このような一連の動作において、直流母線８０，８１の電圧Ｖは、図８（Ｄ）に示すようにほぼ一定となる。

これに対し、図４、図５に示した本発明の実施の形態の装置の動作について、図７のフローチャートと図９のタイムチャートにより説明する。図９のタイムチャートの各点ａ〜ｆ，ｂ’，ｃ ’は図６のａ〜ｆ、ｂ’，ｃ’に対応している。図１、図２で説明したように、オペレータがアクセルペダルを踏込み、ホイルローダを土砂の山１２に向けて矢印１１に示すように前進させ、図９のａの時点でバケット８を山１２に差し込むと、走行抵抗は、一定の車体速度においては、山１２にバケット８が食い込んでいくに従い大きくなり、そのため、電動機５０に必要とされるトルクも大きくなる。ここで、図５に示した要求トルク演算部７３は、アクセルペダル踏込み信号ＡＳから、要求トルクτｂを演算する。図９に示すように、この要求トルクτｂは、アクセルぺダル踏込み信号ＡＳの増大に伴い、ａの時点から増大する。

一方、出力可能トルク演算部７４は、電動機５０の回転数Ｎと、電圧センサ６２により検出される直流母線８０，８１の電圧Ｖとを参照して、出力可能トルクτａを演算する。図６に示すように、出力可能トルクτａは、ある車体速度（電動機５０の回転数Ｎ２）以上になると、線１０１に示すように、回転数Nの増加に伴って低下する。

トルク比較部７５は、要求トルクτｂと出力可能トルクτａとを比較する。しかしながら、通常の作業において、アクセルペダル踏込み信号ＡＳが小さい間は、トルク増大の要求が無いと考えられる。したがってトルク比較部７５は、アクセルペダル踏込み信号ＡＳ≧ＡＳ０（閾値）でない間はこのトルク比較は、行なわない（図７のステップＳＰ１）。なお、閾値ＡＳ０は、トルク比較部７５による要求トルクτｂと出力可能トルクτａとの比較を行うか否かを判断するための所定値である。閾値ＡＳ０としては、例えば、アクセルペダルを最大に踏込んだ際の踏込み量に対して少なくとも５０％程度の踏込み量に対応するアクセルペダル踏込み信号ＡＳの値、好ましくは７５〜８５％程度の踏込み量に対応するアクセルペダル踏込み信号ＡＳの値とすることができる。

アクセルペダル踏込み量の増大によりアクセルペダル踏込み信号ＡＳが閾値ＡＳ０に達すると、トルク比較部７５はトルクの比較を行ない（ステップＳＰ２）、要求トルクτｂが出力可能トルクτａに達しているかを判定する。すなわち、アクセルペダル踏込み量が小さく、アクセルペダル踏込み信号ＡＳが閾値ＡＳ０よりも小さい段階（図９の０〜ｂの時点）では要求トルクτｂが小さく、出力可能トルクτａに達していない（τａ＞τｂ）ので、トルク比較部７５は直流母線電圧上昇判断部７６を起動しない。

アクセルペダル踏込み信号ＡＳ≧ＡＳ０で、かつτｂ≧τａ（ステップＳＰ２）になると（図９のｂの時点）、ステップＳＰ３に移り、電動機５０の回転数Ｎが閾値Ｎ０以上である（Ｎ≧Ｎ０）ことを条件として、直流母線電圧上昇判断部７６を起動する。このように、電動機５０の回転数Ｎが閾値Ｎ０以上であることを条件として以下の直流母線電圧上昇制御を行なう理由は、図６の特性図から分かるように、回転数Ｎが低い場合には、最大トルクτmaxが得られるからである。したがって、この回転数の閾値Ｎ０は図６のトルク−回転数の特性図における回転数Ｎ２と回転数Ｎ３との間であって、回転数Ｎ２近傍に設定する。

直流母線電圧上昇判断部７６における判断は、インバータ６０の温度Ｔ１が上限値Ｔ１０以下で、かつ電動機５０の温度Ｔ２が上限値Ｔ２０以下であるかについて行なう（ステップＳＰ４）。このように、インバータ６０および電動機５０の温度が上限温度を超えていない場合にのみ以下の電圧上昇の処理を行なうのは、インバータ６０や電動機５０を保護するためである。インバータ６０および電動機５０の温度が上限温度以下であれば、タイマ部７７を起動し、タイマ部７７は上昇時間ｔ＝０として時間計測を開始する（ステップＳＰ５，ＳＰ６）。

そして、直流母線電圧上昇判断部７６は、電圧上昇指令部７８を起動し、電圧上昇指令部７８はＰＣ４３に上昇指令信号Ｖｓを送る。昇降圧コンバータ４０はその指令Ｖｓにもとづき、図９（Ｄ）に示すように、直流母線電圧ＶをＶ１からＶ２まで増加させ、高くした状態に保つ。このように、直流母線電圧を高くした状態は、タイマ部７７に設定された時間ｔ０の間に限定し、かつインバータ６０や電動機５０の温度Ｔ１，Ｔ２が上限値Ｔ１０，Ｔ２０を超えていないことを条件として維持する（ステップＳＰ７，ＳＰ８）。タイマ部７７で設定する時間ｔ０は、走行によりバケット８を山１２に十分に差し込む際に必要で十分な時間であり、好ましくは４〜１４秒、より好ましくは８〜１２秒前後に設定する。

これにより、図９（Ｂ）にτａ１で示すように、出力可能トルクτａを要求トルクτｂより大きくすることができる。すなわち、図６において、出力可能トルクτａを、ｂ点のτ１からｂ’点のτ２に増大させることができる。その結果、図９（Ａ）に線１０５で示すように、車体速度の低下開始点は、直流母線電圧を一定とした場合のｂの時点からｂ’の時点、すなわち要求トルクτｂ＝出力可能トルクτａとなるまで先送りすることができ、車体速度を落とすことなく運転することができる。その後、図９（Ｂ）にｂ’の時点からｃ’の時点について示すように、要求トルクτｂの増大に伴い、電動機５０の回転数Ｎ、すなわち車体速度は図９（Ａ）の線１０６および図６の線１０２に沿って低下する。

そして、ｃ’の時点で要求トルクτｂおよび出力可能トルクτａが最大値τmaxに達すると、それ以上は要求トルクτｂおよび出力可能トルクτａは増大しない状態で、図９（Ａ）に線１０７で示すように、車体速度はさらに低下していく。この車体速度の低下は、車体速度が低下したことにより減少した走行抵抗と車体の駆動力がつり合う図９のｄ’の時点まで続く。その後はほぼ一定の車体速度で掘削することになる。

オペレータが土砂の山１２を掘り抜いたと判断して図９のｅの時点からアクセルを緩めると、図９（Ｂ）に示すように要求トルクτｂは下がる。その後の操作、動作は直流母線電圧の上昇を行なわない図８の場合と同じである。

一方、ステップＳＰ１〜ＳＰ４において、アクセル踏込み信号ＡＳ＜ＡＳ０（ＳＰ１）、要求トルクτｂ＜出力可能トルクτａ（ＳＰ２）、回転数Ｎ＜Ｎ０（ＳＰ３）、インバータ温度Ｔ１＞Ｔ１０、または電動機温度Ｔ２＞Ｔ２０（ＳＰ４）のいずれかである場合には、ステップＳＰ９に移る。ステップＳＰ９では直流母線電圧が高い状態か否かを判断する。直流母線電圧がＶ２の高い状態であれば直流母線電圧を通常の電圧Ｖ１に戻し（ＳＰ１０）、直流母線電圧がＶ２の高い状態でなければ処理を終了し、次のアクセルペダル踏込み信号を待つ。

このように、本実施の形態によれば、電動機５０に要求されるトルクτｂが、インバータ６０に接続される直流母線８０，８１の電圧Ｖで出力可能なトルクτａを上回る場合に、直流母線８０，８１の電圧ＶをＶ１からＶ２に一時的に上昇させる。これにより、電動機５０の出力可能トルクτａを一時的に増大させ、電動機５０の回転数Ｎを落とすことなくホイルローダを作動させることができる。すなわち、直流母線電圧Ｖを上昇させた場合は、上昇させない場合に比較し、電動機５０に図９（Ａ）の斜線部１０９で示す速度差が生じ、作業能率を向上させることができる。

また、電動機５０に要求されるトルクτｂが、その時点での直流母線８０，８１の電圧Ｖで出力可能なトルクτａを上回ると判断されたときにのみ、その電圧Ｖを一時的に上昇させる。これにより、インバータ６０の入力電圧上昇によるスイッチング損失による発熱も一時的なものとなり、インバータ６０の発熱が抑制される。

また、本実施の形態においては、電動機５０の回転数Nが、出力可能トルクτａの増大が必要となる閾値の回転数Ｎ０以上である場合のみ、直流母線電圧Ｖを上昇させる。したがって、真に出力可能トルクτａの増大が必要な場合にのみ直流母線電圧Ｖを上昇させることとなり、電動機５０の安定した制御が可能となる。

また、本発明は、ホイルローダ以外の他のハイブリッド型作業機にも適用可能であるが、本実施の形態のように、作業機がホイルローダで、電動機５０が走行モータであるものに対して直流母線の電圧制御を行なうことにより、ホイルローダを走行させながら掘削対象の土砂の山１２にバケット８を差し込む際のように、走行モータに要求されるトルクが大きい場合であっても、スムーズにバケットを山の中に差し込むことができ、掘削能率（作業能率）を向上させることができる。
また、本実施の形態においては、電動機５０によって後輪３を駆動させる例を説明したが、電動機５０によって前輪２を駆動するように構成してもよい。また、本実施の形態を、前輪２と後輪３とを駆動する４輪駆動のハイブリッド型作業機に適用してもよい。

なお、本実施の形態においては、走行操作をアクセルペダルにより行なう例を示したが、走行操作部材としてアクセルペダルの代わりにレバーやソフトウエアを用いたものでもよい。また、要求トルクτｂは、走行操作部材による操作信号から求めるのではなく、電動機５０の速度指令値や加速度指令値から求めてもよい。また、電動機５０の速度指令値と実測値との偏差や、加速度指令値とその実測値との偏差から要求トルクτｂを求めるようにしてもよい。

また、インバータ３０の上限温度や、電動発電機２０の上限温度をさらに用いて、直流母線８０，８１の温度上昇の可否を判断してもよい。また、電圧上昇時間はある時間範囲内に抑制されればよく、この電圧上昇時間をタイマ部７７により一定に設定するのではなく、動作状態によって可変する時間としてもよい。

次に、本発明が適用される作業機の油圧電気回路の別の実施形態を説明する。図１０は、本発明が適用される作業機の油圧電気回路において直流母線を一系統に共通化せずに、二系統の直流母線が個別に存在する別の実施の形態を示す回路図である。図１０においては、図４の油圧電気回路の構成要素と同様の機能を有する構成要素には同じ符号を付している。この図１０においては、第１の電力変換装置としてのインバータ３０と接続される第１の直流母線８０，８１とは共通ではない第２の直流母線８０ａ，８１ａが別に設けられている。この第２の直流母線８０ａ，８１ａと第２の電力変換装置としてのインバータ６０とが接続される。また、第２の直流母線８０ａ，８１ａと蓄電器４２の間で電力の授受を行う第２の昇降圧コンバータ４０ａが設けられている。この第２の昇降圧コンバータ４０ａは、第１の昇降圧コンバータ４０と同様に、蓄電器４２と第２の直流母線８０ａ，８１ａとの間の電力の授受を行う。

この別の実施の形態においては、電動機５０に要求されるトルクが、インバータ６０に接続される第２の直流母線８０ａ，８１ａの電圧で出力可能なトルクを上回る場合に、第２の直流母線８０ａ，８１ａの電圧を一時的に上昇させる。第２の直流母線８０ａ，８１ａの電圧上昇制御は、基本的には上述した実施の形態における第１の直流母線８０，８１の電圧上昇制御と同様である。

このように、別の実施の形態においては、上述した実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。さらに、別の実施の形態においては、第１の直流母線８０，８１とは異なる第２の直流母線８０ａ，８１ａの電圧を上昇させるので、第２の直流母線８０ａ，８１ａの電圧上昇によりインバータ６０が一時的に発熱したとしても、その影響は第１の直流母線８０，８１に接続された機器には及ばない。さらに、二系統の直流母線を設けることにより、第１の直流母線８０，８１の電圧と第２の直流母線８０ａ，８１ａの電圧が異なる場合にも、本発明を適用することができる。

なお、上記別の実施の形態では、図１０のとおり蓄電器４２とインバータ３０の間に第１の昇降圧コンバータ４０を設けた例を示したが、これに拘るものでなく、蓄電器４２が使用される電圧範囲とインバータ３０の蓄電器側電圧範囲とが略等しい場合は、第１の昇降圧コンバータを設けず、直接、蓄電器４２とインバータ３０とを接続してもよい。

以上、本発明を種々の実施の形態により説明したが、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更、付加が可能である。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第８２３７１号（２０１４年４月１１日出願）

６：ブーム、７：ブームシリンダ、８：バケット、９：バケットシリンダ、１５：エンジン、１６：油圧ポンプ、１７：コントロール弁、１８：エンジンコントローラ、２０：電動発電機、３０：インバータ（第1の電力変換装置）、３３，４３，６３：パワーコントローラ、４０：昇降圧コンバータ（第１の昇降圧コンバータ）、４０ａ：第２の昇降圧コンバータ、４２：蓄電器、５０：電動機、６０：インバータ（第２の電力変換装置）、７０：総合制御装置、８０，８１：直流母線、８０ａ，８１ａ：第２の直流母線、９０：ＣＡＮ

Claims (6)

1. 油圧アクチュエータの油圧源となる油圧ポンプを駆動するエンジンと、
   前記エンジンに付設されるエンジンアシスト用の電動発電機と、
   作業機の一部の駆動系に用いる電動機と、
   前記電動発電機の発電電力を蓄積する蓄電器と、
   前記電動機と直流母線との間に設けられた電力変換装置と、
   前記直流母線と前記蓄電器との間に設けられ、前記直流母線の電圧を昇降圧して前記直流母線と前記蓄電器との間で電力の授受を行なう昇降圧コンバータと、を備えるハイブリッド型作業機において、
   前記電動機に要求されるトルクが、前記電力変換装置に接続される前記直流母線の電圧で出力可能なトルクを上回る場合に、前記直流母線の電圧を一時的に上昇させる制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記電動機の要求トルクを演算する第１の演算部と、
   前記電動機の回転数、および前記電動機に前記電力変換装置を介して接続された前記直流母線の電圧から前記電動機の出力可能トルクを演算する第２の演算部と、
   前記第１の演算部により演算される要求トルクと前記第２の演算部により演算される出力可能トルクとを比較するトルク比較部と、
   前記第１の演算部により演算される要求トルクが前記第２の演算部により演算される出力可能トルク以上である際に、前記電動機の回転数が閾値以上であることを条件として、前記直流母線の電圧を一時的に上昇させる指令を与える電圧上昇指令部と、を備えたハイブリッド型作業機。
2. 請求項１に記載のハイブリッド型作業機において、
   前記制御装置は、前記電動機の回転数および前記直流母線の電圧に基づいて前記電動機の出力可能トルクを演算する出力可能トルク演算部を備えるハイブリッド型作業機。
3. 請求項１に記載のハイブリッド型作業機において、
   前記電動発電機と前記直流母線との間に設けられて前記直流母線に接続された、前記電力変換装置とは異なる別の電力変換装置をさらに備えるハイブリッド型作業機。
4. 請求項１に記載のハイブリッド型作業機において、
   前記直流母線とは異なる別の直流母線と前記電動発電機との間に設けられて前記別の直流母線に接続された、前記電力変換装置とは異なる別の電力変換装置をさらに備えるハイブリッド型作業機。
5. 請求項１に記載のハイブリッド型作業機において、
   前記制御装置は、前記昇降圧コンバータを介して前記直流母線の電圧を一時的に上昇させるハイブリッド型作業機。
6. 請求項１に記載のハイブリッド型作業機において、
   前記ハイブリッド型作業機がホイルローダであり、
   前記電動機が走行モータであるハイブリッド型作業機。

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